ВЛИЯНИЕ ВОЛНОВОГО ДЕФОРМАЦИОННОГО УПРОЧНЕНИЯ НА КОРРОЗИОННУЮ СТОЙКОСТЬ СВАРНЫХ СОЕДИНЕНИЙ КОНСТРУКЦИОННЫХ СТАЛЕЙ СЕЛЬСКОХОЗЯЙСТВЕННОЙ ТЕХНИКИ

Полный текст

Влияние волнового деформационного упрочнения на коррозионную стойкость сварных соединений конструкционных сталей сельскохозяйственной техники

Обоснование

Коррозионное разрушение конструкционных сталей является одной из основных причин снижения ресурса и преждевременного выхода из строя критически важных узлов сельскохозяйственной техники, таких как рамы, оси, элементы подвески, рабочие органы почвообрабатывающих орудий (плуги, бороны) и сварные соединения кузовов комбайнов [1, 2]. Эксплуатация в условиях агрессивных сред (почвенные электролиты, удобрения, высокая влажность) приводит к значительным экономическим потерям, оцениваемым в 3-5% ВВП стран с развитым агропромышленным комплексом (АПК) [2]. Особую уязвимость демонстрируют зоны сварных соединений, где формируется неоднородная микроструктура (крупное зерно, остаточные напряжения, выделения карбидов), снижающая коррозионную стойкость на 30-50% по сравнению с основным металлом [3, 4]. Помимо основных традиционных методов защиты от коррозии (окраска, цинкование), влияние на коррозионную стойкость оказывает так же технология изготовления (упрочнения) деталей, в частности, методы поверхностного пластического деформирования (ППД). Например, дробеструйная обработка или накатка, применяемые для упрочнения поверхностного слоя, демонстрируют неоднозначное влияние на коррозионное поведение: умеренная деформация может улучшить стойкость за счет создания нанокристаллической структуры и сжимающих напряжений, тогда как избыточная – провоцирует образование дефектов, активирующих коррозию [5, 6]. Существующие исследования часто не учитывают специфику сварных швов и редко оптимизируют параметры обработки под конкретные марки сталей, используемые в АПК (09Г2С, 30ХГСА, 40Х, 45, 10ХСНД) [7].

Анализ литературных данных [5, 6, 8-10] выявил отсутствие системного подхода к применению волнового деформационного упрочнения (ВДУ) для повышения коррозионной стойкости именно сварных соединений конструкционных сталей сельхозназначения. ВДУ характеризуется передачей энергии деформации через волновод и воздействием на обкатываемый материал пролонгированными импульсами (рис. 3), обладает уникальными преимуществами: формирует глубокий (до 15 мм) упрочненный слой с высокими (-1000 МПа) сжимающими напряжениями, создает ультрамелкозернистую структуру поверхности [8, 9]. Однако комплексное исследование взаимосвязи между режимами ВДУ, микроструктурными изменениями (размер зерна, угол поворота, фазовая трансформация) и коррозионной стойкостью для широкого спектра сталей и их сварных швов до сих пор не проводилось. Не определены оптимальные диапазоны степени деформации, гарантирующие улучшение коррозионных характеристик без риска их ухудшения при превышении критического уровня наклепа. Это ограничивает внедрение перспективной технологии ВДУ в производство и ремонт сельхозмашин.

Разработка научно обоснованных рекомендаций по параметрам ВДУ (коэффициент перекрытия K, степень деформации) для конкретных марок сталей и их сварных соединений позволит существенно (на 20-40% по данным предварительных экспериментов) повысить коррозионную стойкость и, как следствие, долговечность ответственных узлов сельскохозяйственной техники, работающих в условиях интенсивного коррозионно-механического износа. Это соответствует стратегическим задачам импортозамещения и повышения конкурентоспособности отечественного сельхозмашиностроения.

Целью настоящего исследования является установление количественных закономерностей влияния параметров волнового деформационного упрочнения (коэффициент перекрытия K=0,3 и K=0,6) на коррозионную стойкость, микроструктуру и микротвердость широко применяемых конструкционных сталей (09Г2С, 30ХГСА, 40Х, 45, 10ХСНД) и их сварных соединений, а также разработка на этой основе практических рекомендаций по оптимизации режимов ВДУ для повышения эксплуатационной надежности деталей и узлов сельскохозяйственной техники.

Методы

Объекты исследования. В работе изучены пять марок конструкционных сталей, широко применяемых в производстве ответственных узлов сельскохозяйственной техники: низколегированная сталь 09Г2С (для рам комбайнов и прицепов), хромкремнистые стали 30ХГСА и 40Х (зубчатые передачи, оси), углеродистая сталь 45 (крепежные элементы), а также низкоуглеродистая сталь 10ХСНД (сварные конструкции плугов). Химический состав материалов соответствовал сертификатам производителей: 09Г2С (0,09-0,15% C, 1,3-1,7% Mn); 30ХГСА (0,28-0,34% C, 0,8-1,1% Cr); 40Х (0,36-0,44% C, 0,8-1,1% Cr); 45 (0,42-0,50% C); 10ХСНД (0,10% C, 0,8% Cr, 0,5% Ni) [11].

Подготовка образцов. Из листового проката толщиной 10 мм были вырезаны прямоугольные пластины размером 75×80 мм. Для исследования сварных соединений образцы попарно сваривали встык полуавтоматической сваркой в среде аргона (режимы: ток 180-220 А, напряжение 22-28 В, скорость подачи проволоки 15 см/мин). Контроль качества швов выполнен визуально и методом ультразвуковой дефектоскопии (отклонения не превышали 5% от ГОСТ 3242-79). Поверхность всех образцов шлифовали до шероховатости Ra=0,8 мкм с последующим обезжириванием в ацетоне [12].

Методика волнового деформационного упрочнения. Упрочнение проводили на экспериментальной установке с использованием генератора механических импульсов (патент РФ №2098259) с удельной энергией ударов 4-8 Дж/мм и частотой импульсов 9-14 Гц, используя стержневой ролик диаметром 10 мм. Коэффициент перекрытия (K) – комплексный технологический параметр ВДУ, определяющий кратность динамического нагружения очага деформации и, следовательно, равномерность и степень упрочнения поверхностного слоя. K характеризует степень перекрытия пластических отпечатков от последовательных ударов и рассчитывается по формуле (1):

,                                                                  (1)

где δ – размер отпечатка, мм; s – скорость подачи заготовки относительно инструмента, мм/мин; f – частота ударов, Гц. [8].

При ВДУ с K=0 отпечатки ударов инструмента граничат друг с другом не перекрываясь между собой; при 0 < K < 1 происходит их частичное перекрытие; при K=1, удары инструментом наносятся в одну точку без его смещения. В данном исследовании применяли упрочнение с K=0,3 и K=0,6, соответствующие режимам частичного перекрытия отпечатков. Выбор именно этих значений обусловлен их перспективностью для формирования оптимальной гетерогенной структуры (сочетающей высокую твердость и вязкость), доказанной в предыдущих исследованиях [8, 9] как эффективной для улучшения эксплуатационных характеристик (сопротивление контактному выкрашиванию, циклическая прочность при знакопеременных нагрузках). Для каждого сочетания "марка стали/тип образца/K" обработано 5 идентичных образцов.

Коррозионные испытания. Коррозионную стойкость оценивали по потере массы после экспозиции в соляном тумане (5% раствор NaCl, t=25±2°C, продолжительность 240 ч) в соответствии с ГОСТ 9.908-85. Образцы взвешивали до и после испытаний на аналитических весах CE224-C. Массовые потери пересчитывали в г/мм³ с учетом площади поверхности.

Методы анализа свойств. Микроструктуру исследовали с помощью оптического микроскопа Zeiss Axio Observer.D1m при увеличениях 100-1000× с использованием ПО Thixomet Pro для анализа изображений. Определяли: размер зерен методом хорд (ГОСТ 5639-82), толщину упрочненного слоя, углы поворота кристаллов, фазовый состав. Для сварных соединений дополнительно анализировали изменение ориентации столбчатых кристаллов в зоне термического влияния.

Статистическая обработка. Статистическую обработку данных проводили в программе STATISTICA. Различия в коррозионных потерях, микротвердости и размере зерен между группами образцов (неупрочненные, упрочненные с K=0,3, упрочненные с K=0,6) оценивали с помощью однофакторного дисперсионного анализа (ANOVA). Данные представлены в виде среднего арифметического и стандартного отклонения (M±SD). Различия считали статистически значимыми при p<0,05.

Результаты

Экспериментальные исследования выявили сложную зависимость коррозионной стойкости конструкционных сталей от режимов волнового деформационного упрочнения. Для низколегированной стали 09Г2С в основном металле обработка с коэффициентом перекрытия K=0,6 обеспечила статистически значимое снижение коррозионных потерь на 2,7% (с 7,50 ± 0,12 до 7,30 ± 0,11 ×10^-5 г/мм³; p<0,05), что сопровождалось уменьшением размера зерен с 6,9×6,9 мкм до 6,1×5,3 мкм и их поворотом на 50°. В сварных соединениях этой же стали максимальный эффект достигнут при K=0,3: потери снизились на 28% (до 4,80 ± 0,09 ×10^-5 г/мм³), однако увеличение коэффициента до K=0,6 привело к аномальному росту потерь до 5,90 ± 0,14 ×10^-5 г/мм³. Микроструктурный анализ показал, что данный эффект коррелирует с фрагментацией столбчатых кристаллов в шве – их длина сократилась с 200 до 110 мкм.

У хромкремнистой стали 30ХГСА зафиксирована наивысшая чувствительность к ВДУ в основном металле. Обработка с K=0,6 снизила коррозионные потери на 33% (до 4,50 ± 0,08 ×10^-5 г/мм³; p<0,01) при уменьшении размера зерен с 8,9×9,3 мкм до 7,6×7,3 мкм. В отличие от основного металла, сварные швы 30ХГСА продемонстрировали деградацию свойств: уже при K=0,3 потери возросли на 11% (до 5,10 ± 0,13 ×10^-5 г/мм³), а при K=0,6 достигли 5,30 ± 0,16 ×10^-5 г/мм³. Микрофотографии выявили формирование грубых бейнитных пакетов и увеличение угла наклона кристаллов относительно оси шва до 49°. Фото микроструктуры упрочненного ВДУ с К=0,3 сварного шва и без упрочнения представлены на рисунках 1 и 2.

Для стали 40Х выявлена разнонаправленная реакция. В основном металле ВДУ с K=0,3 увеличило потери на 46% (до 7,00 ± 0,22 ×10^-5 г/мм³), тогда как в сварных швах тот же режим обеспечил снижение на 21% (до 6,20 ± 0,17 ×10^-5  г/мм³). Оптимальный результат для сварных соединений достигнут при K=0,6: потери сократились до 4,50 ± 0,12 ×10^-5 г/мм³ (–42%; p<0,001), а глубина упрочненного слоя составила 6,3 мм. Микроструктура шва после обработки характеризовалась преобладанием игольчатого бейнита и поворотом зерен на 45–50°.

Наиболее негативная динамика отмечена у углеродистой стали 45. В основном металле ВДУ с K=0,6 повысило коррозионные потери на 26% (до 3,40 ± 0,10 × 10^-5 г/мм³) вопреки росту степени упрочнения до 9,5%. В сварных швах деградация усиливалась: при K=0,6 потери достигли 7,00 ± 0,23 × 10^-5 г/мм³ (+35%; p<0,05). Микроструктурный анализ выявил уникальную аномалию – увеличение длины зерен с 6,4 до 6,6 мкм (+3%) при сокращении ширины до 5,5 мкм (–17%), что сопровождалось образованием микродефектов в феррито-перлитной структуре.

Сталь 10ХСНД проявила высокую стабильность. В сварных соединениях режим K=0,3 снизил потери на 38% (до 4,30 ± 0,08 ×10^-5 г/мм³; p<0,01), а в основном металле обработка с K=0,6 дала уменьшение на 22% (до 6,30 ± 0,15 × 10^-5 г/мм³). Важно отметить, что микроструктура сохранила мелкозернистую ферритокарбидную матрицу без фазовых превращений.

Обобщая микроструктурные изменения, ВДУ вызвало поворот зерен на 37–50° у всех сталей. Уменьшение размера зерен зафиксировано у 09Г2С (–12% по длине), 30ХГСА (–15%), 40Х (–7%) и 10ХСНД (–8%), в то время как у стали 45 наблюдался атипичный рост длины зерен на 3%. В сварных швах ключевым эффектом стало сокращение длины столбчатых кристаллов на 45–50% (09Г2С, 40Х) и переориентация бейнита (30ХГСА). Полные количественные данные представлены в таблице 1.

Практические следствия для сельхозмашиностроения вытекают из установленных закономерностей:

1. Для рабочих органов плугов и борон (сталь 10ХСНД) оптимален режим K=0,3 (степень деформации ≤45%), снижающий потери на 38% без риска деградации ферритокарбидной матрицы.
2. Оси и валы из стали 30ХГСА целесообразно обрабатывать с K=0,6, но их сварные соединения не должны подвергаться ВДУ из-за роста потерь на 16%.
3. Углеродистые стали (45) непригодны для ВДУ в ответственных узлах. Для крепежных деталей допустимо упрочнение только до 30%.

Заключение

Установлено, что волновое деформационное упрочнение с коэффициентами перекрытия K=0,3–0,6 повышает коррозионную стойкость легированных сталей (30ХГСА, 40Х, 10ХСНД) и их сварных соединений, снижая потери массы на 21–42% за счет формирования глубокого упрочненного слоя, уменьшения размера зерен на 7–23% и создания сжимающих напряжений, однако для углеродистой стали 45 применение ВДУ ограничено из-за роста коррозионных потерь на 26–56%.

Дополнительная информация

ИСТОЧНИК ФИНАНСИРОВАНИЯ. Исследование выполнено за счет гранта Российского научного фонда № 24-29-00666, https://rscf.ru/project/24-29-00666/.

КОНФЛИКТ ИНТЕРЕСОВ. Авторы декларируют отсутствие явных и потенциальных конфликтов интересов, связанных с проведенным исследованием и публикацией настоящей статьи.

Вклад авторов. С.В. Баринов — обзор литературы, разработка методики экспериментов, обзор литературных источников, исследование микроструктуры и микротвердости, обработка данных, написание текста статьи; Н.А. Григорьева — проведение коррозионных испытаний, обработка и анализ экспериментальных данных, написание текста статьи; Д.М. Шестопалов — проведение коррозионных испытаний, обработка и анализ экспериментальных данных, написание текста статьи. Все авторы одобрили рукопись (версию для публикации), а также согласились нести ответственность за все аспекты работы, гарантируя надлежащее рассмотрение и решение вопросов, связанных с точностью и добросовестностью любой её части.

Таблица 1. Сводные данные экспериментов

Рисунки

а)                                                                    б)

    Рис. 1 – Микроструктура сварного шва в образце из стали 30ХГСА: а) не упрочнённого образца; б) ВДУ с К=0,3 (×200)

Рис.2 – Макроструктура сварного шва в образце из стали 30ХГСА с ВДУ с К=0,3 (×10)

Об авторах

Сергей Владимирович Баринов

Автор, ответственный за переписку.
Email: box64@rambler.ru
ORCID iD: 0000-0002-1341-446X
Scopus Author ID: https://www.scopus.com/authid/detail.uri?authorId=57147171600

Доцент, доцент кафедры "Технология машиностроения"

Наталья Александровна Григорьева

Email: natali-kukanova@mail.ru
ORCID iD: 0009-0000-2096-5449
Россия

Данила Михайлович Шестопалов

Email: shestopalov.danila@yandex.ru
ORCID iD: 0009-0000-7596-2261
Россия

Список литературы

Дополнительные файлы